“部分翻转课堂”在“流体力学”教学中的应用

唐群国+朱龙威+谭琼

摘 要：文章鉴于翻转课堂的实施需要学生投入较多时间的问题，结合“流体力学”课程的特点，采用部分翻转课堂教学法，将翻转课堂与传统教学有机结合，对难度较大、推导过程繁杂的内容主要采用传统教学法，而内容相对简单、便于自学的内容采用翻转课堂。通过建立翻转课堂信息交流平台，将线上教学和线下教学相结合。对比试验发现，部分翻转课堂在不过多增加学生负担的条件下较好地提高了教学效果。

关键词：翻转课堂；流体力学；机械专业

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2017）12-0004-03

一、完全翻转课堂存在的问题

翻转课堂教学模式本世纪初起源于美国，它颠覆了传统以教师为中心的教学方法[1-2]，强调学生在教学过程中的主体地位，注重调动学生在学习过程中的主观能动性与积极性，教师则更多地充当学习引导者和讨论组织者的角色，课堂上师生互动时间增加。翻转课堂有利于培养学生的自主学习能力以及提出问题、分析和解决问题的能力。因此近年来翻转课堂教学法在全球教育界得到很多关注和研究，我国大中小学及职业教育学校也开展了许多翻转课堂的探索及实践[3-6]，但总的来说在我国的大学教育中应用还较少。

按照翻转课堂的教学理念，在课程学习的课前、课中及课后三个环节都需要学生积极地参与，包括课前预习、通过预习提出问题、课堂讨论、课堂练习、课后复习巩固及总结，完成作业等，教师则主要做好课前预习任务的布置及准备相应的教学视频、微课、课件及思考题，策划组织学生课堂讨论、课堂练习等。这种把教与学倒置与以教师为主导的传统教学根本不同的翻转课堂教学模式在本文中定义为“完全翻转”。

完全翻转教学模式尽管理论上有其充分调动学习者积极性和主动性的特点，但在教学实践中也存在一些问题，其中比较突出的问题是，完全翻转课堂教学方法要求学生课下投入足够的时间完成课前自主学习的任务，为了课堂环节按计划进行，要求学生借助教师提供的导学材料通过自学基本掌握要学习的知识。学习效果在很大程度上取决于学生的自觉性，即从“要我学”变为“我要学”。由于学生的课下时间有限，且同时要上几门主干课程，为了配合一门课的翻转教学，往往只能牺牲其他课程的学习时间，最终影响总体的学习效果和学生各门课程的全面协调发展。而学生在课前学习上的自觉性和自律性也常常因人而异，课前学校的效果还与要学习内容的难度有直接关系，当学习内容较难，特别是涉及复杂的推导过程时，总有一部分学生不能按照要求完成课前预习，从而影响后续教学计划的有效执行，影响教学进度。从学生的角度看，特别是大一、大二低年级的学生，由于接受了多年的传统教育和应试教育，大多数学生尚没有形成自主学习的习惯，对作为新生事物的翻转课堂教学也应该有一个逐渐适应的过程。

在开展该项研究之初，通过无记名问卷的方法调查了解了华中科技大学2014级机械专业两个班级对之前上的“机械制图”等课程翻转课堂的体会与看法，参与调查的学生共51人，从反馈的情况来看，大家对这种教学方法看法并不统一，很多学生认为翻转课堂教学尽管有学生参与度高、在任务驱动下学习节奏快等促进学习的一面，但超过85%的学生认为翻转课堂模式占用了他们太多的课下时间，导致其他课程学习时间不足，一定程度上影响了其他课程的学习。调查也发现有相当比例的学生倾向于接受传统教学法，而大部分则选择本文后面提出的部分翻转课堂法，这也从侧面说明了一个问题：任何一种教学方法在使用时都有其局限性，因为每个个体的情况都不尽相同。可见翻转课堂虽然理念新颖，但目前受各种主客观因素的影响在学生群体中也并非受到一致欢迎。

按照美国著名心理学家、教育家布鲁姆（Benjamin Bloom）关于教学活动目标层次理论，教学活动要实现的总体目标分为认知、情感和心理运动三大领域，翻转课堂课前学习环节中学生对相关知识的学习主要处于认知领域的识记、领会和简单应用的最低层次，学习内容的难度、复杂程度必然会影响自主学习的时间和效果，内容越抽象，难度越大，需要投入的时间就会越多。我们的调查发现，学生大多认为用于课前自主学习的时间控制在1小时内为宜。因此在翻转课堂教学方法的使用上，我们认为不同的课程因为课程内容、课程特点及学习的难易程度等不同而应有所区别，不宜一刀切。一般来说，对于人文类的或易于理解的内容比较适合自学，但对于理论性强，内容抽象，难理解的课程，特别是涉及复杂推导的内容，如果采用传统教学为主的方法，从学生的角度来看时间效益可能会更好，也有利于学生统筹安排自己的课下时间，协调其他课程的学习进度。即使同一门课程，在不同的章节部分，难易程度通常也会有较大差别，所以在翻转课堂教学中应根据课程及内容特点，同时综合考虑学生的基础、学习能力及总体的课业负担情况，进行适当调整和综合考虑，以求获得最好的教学效果，提高学习效率。

基于上述考虑，我们提出“部分翻转课堂”的教学方法。部分翻转课堂就是在一门课程的教学中，将传统教学模式与翻转课堂模式有机结合，根据内容难易程度采用相应的教学方法，即使在采用传统教学方法时，也适当借鉴翻转课堂的一些好的思想和措施，以充分调动学生学习的主动性和积极性。

二、在“流体力学”教学中采用部分翻转课堂的教学设计

“流体力学”是大中专院校机械、土木、能源、船舶、材料、环境、航空航天等很多专业的专业基础课，学生通过该课程的学习可为后续相关专业课学习打下必要的力学基础。

目前华中科技大学“流体力学”已列为机械大类专业平台课，但所用的教学方法基本上沿用多年来的以教师为中心的传统方法，近年来由于培养计划调整等，课程学时数压缩，由原来的32学时改为28学时，而内容并未减少。为了完成教学计划，授课基本上是教师讲学生听的模式，课堂上学生与教师之间很难开展有效的互动，而填鸭式和灌输式教学模式的弊端多年来为人所诟病。因为课前对内容缺乏必要的了解预习，课堂上学生也很难提出好的问题，课堂气氛不活跃。由于课堂上要讲解的内容比较多，也不能安排较多的课堂练习和讨论，导致学生对知识的学習很难在深度和广度上加深与拓展，总的教学效果欠佳，也不利于培养学生独立分析解决问题的能力。我们的调查发现，大部分学生希望在“流体力学”学习中，能结合工程实际中的有关问题，锻炼利用理论知识解决实际问题的能力，如问卷中关于“如果在‘流体力学学习中引入目前在工程问题设计分析中广泛使用的ANSYS流场数字仿真方法的学习与应用，你是否感兴趣”的问题，100%的回答是肯定的，这也反映了当代大学生与时俱进，渴望学习新知识、新理论、新方法的愿望。endprint

“流体力学”的特点是理论性较强，同时与工程实践结合紧密，主要研究流体流动的普遍规律，包括质量连续性方程、能量守恒定理、动量及动量矩守恒定理、流动损失及管路计算方法等。其中有些定理涉及复杂的推导过程，如伯努利方程（Bernoullis Equation）、动量定理等，也有一些概念如流线、控制体等较难理解，而有些内容如流体的性质、流体静力学、量纲分析及相似原理则相对容易理解和学习。

针对该课程的特点，我们在2014级一个班级中进行了部分翻转课堂的教学尝试。为此我们主要做了以下工作。

（1）基于部分翻转课堂模式的“流体力学”教学体系构建。在既有的教学大纲和教学目标的基础上，建立一套与之适应的课程教学体系，包括教学的总体规划、教学资源的编写制作、教学的组织实施计划与具体方法、教学效果的对比分析及评价方法等。梳理课程内容，把内容分为适合完全翻转课堂教学的内容和部分翻转的内容。

（2）编写自学向导及辅助学习资料。翻转课堂教学模式的第一个关键环节就是学生的课前自主学习，课前学习不同于传统教学方法的课前预习，因为传统教学方法主要依靠教师在课堂上的讲授，预习与否、预习得好坏不会直接影响课堂教学的正常进行，而翻转课堂则把学的任务直接交给学生，要求学生在上课之前就在教师的引导下通过自主学习相关内容初步掌握基本概念及基本原理。为了保证自主学习的效果，增加学生学习的兴趣，辅助学习材料的设计编写就显得非常重要。我们在自学向导中对每次课的内容做简要的介绍，指出重点和难点，在尽可能短的篇幅内将主要知识点讲清楚，而且形式上尽可能生动，激发学生的学习欲望，将教学内容以微课的形式呈献给学生可以帮助达到上述目的。互联网技术的发展和在线学习资源的日益丰富，为我们准备导学材料提供了许多生动形象的视频资源。这部分内容工作量大，耗费时间较多。

（3）课堂教学的组织与实施方案编写。在翻转课堂教学过程中教师不再是仅仅充当“传道、授业”的知识传播者，而是作为课堂学习讨论的组织者和引导者，重点完成“解惑”的作用，帮助学生把知识内化并学习用来解决具体问题，因此对教师提出了更高的要求。教师通过整理学生课前学习过程中反馈的问题，在课堂上集中讨论讲解。因此需要针对每节课的内容特点，精心编写思考题及习题例题，制定具体的组织实施方案。

对于完全翻转的内容，课堂上重点围绕典型问题及习题开展分组讨论，重在知识的内化及应用。对于部分反转的内容，课堂上仍以讲解为主，特别是对复杂重要定理的推导，通过板书形式给出完整的推导过程。

在典型例题的准备中，尽可能地让题目“接地气”，即联系工程实际。如在静力学中分析大坝的设计原理，如美国著名的胡佛大坝（Hoover Dam）的设计，在管路计算部分以机床液压系统的管路设计计算为例。

（4）翻转课堂信息交流平台的建设。在教学过程中及时了解學生的课前学习情况、实时与学生交流、了解回答学生学习中的疑问、上传下载教学资料、观看微课视频的学习等都需要建立在快捷方便的网络信息平台的基础上。为此我们设计建立了专门的”流体力学”翻转课堂学习网站，如图1所示，网站是在Apache+PHP+

MySQL的环境下搭建完成的，包括网页前端和网页后端。浏览网页时看到的全部内容就属于网页前端的范畴，通过html+css+JavaScript编写前端代码，页面显示的内容都在html代码中。JavaScript用于显示动态网页，本网站中主要完成网页文件中聊天框的动态刷新。网页后端指的是通过PHP代码完成的功能，包括文件的上传、下载和MySQL数据库文件的存取和调用等等。网站运行时可以记录每个学生线上学习的时间，包括看教学视频，阅读站内学习资料的时间，这在一定程度上能够督促部分自觉性稍差的学生做好课前学习。网站中还安排适量思考题供学生在线回答和讨论，学生也可以在线留言，提出自己的问题，学生之间也可以在线讨论。

三、部分翻转课堂的实施效果

为了比较，我们在同年级同专业选择2个班级，由同一教师授课，分别采用传统法和部分翻转法。2个班级学生学习基础及学习能力相似，学习课时一样，同时学习的其他课程一样。课程结束后采用统一试卷考试，传统教学班参加考试人数25人，部分翻转课堂班26人，2个班级各成绩段的百分比分布如图2所示，传统班平均成绩77.0，部分翻转班平均成绩85.2。部分翻转班的优良率66.6%，不及格率3.7%，而传统班两项指标分别为52%和12%。由此可见，部分翻转法较大地提高了教学效果。

差别不仅表现在成绩上，比较发现，在部分翻转课堂教学中由于学生有较多的时间参与讨论，提出问题，课堂表现更为踊跃，气氛更为活跃。

部分翻转课堂法将翻转课堂法与传统教学法实现有机结合，按照课程内容特点和难易程度采用不同的方法，即在学习相对简单的内容时采用翻转课堂教学，在难度较大的内容上以传统法为主，提高效率，同时也为学生提供课前自学向导及有助于理解的助学资料。通过翻转课堂信息平台的建设，实现线上教学与线下教学互为补充，保障了各个教学环节的有序进行。通过比较试验，证实该方法在“流体力学”教学中获得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]田爱丽.翻转课堂中实施探究式教学的应用研究——以 科学课和项目设计的翻转课堂教学为例[J].教育发展 研究，2015，（20）.

[2]吕晓娟.基于学生学习力的翻转课堂教学设计[J].电化 教育研究，2015，（12）.

[3]梁海峰.大学数学基于“翻转课堂”教学模式的探索[J]. 学术研究，2016，（4）.

[4]叶林顺，潘涌璋，陆钢等.以《水污染控制工程》为例的翻 转课堂教学实践[J].高教学刊，2016，（2）.

[5]吴硕，刘志广，宿艳等.分析化学“翻转课堂”的尝试与探 讨[J].中国大学教学，2015，（1）.

[6]李晓梅，吴萍.翻转课堂教学模式在大学物理教学中的 应用研究[J].中国现代教育装备，2015，（9）.endprint